Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Zielsetzung des Projektes ist die Entwicklung eines umweltfreundlichen Verfahrens zur Bearbeitung metallischer Oberfl\u00e4chen mit Wasserstrahlen. Dieses wird mit einer hydraulischen Anlage realisiert. Es wird mit gepulsten Wasserstrahlen gearbeitet, womit eine Energie- und Kostenersparnis bez\u00fcglich der Hochdruckpumpen zu erwarten ist. Es werden keine chemischen Zusatzstoffe verwendet und das abgetragene Material kann sortenrein aus dem Strahlwasser herausgefiltert werden. Das Strahlwasser wird wieder verwendet; es entstehen geringere Wiederaufbereitungskosten. Aufgrund der gesamten Kostenreduktion k\u00f6nnte diese umweltfreundliche Oberfl\u00e4chenbearbeitung eine breite Umsetzung in der Industrie finden.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas Projekt basiert auf Untersuchungen zur Erzeugung von hochenergetischen pulsierenden Wasserstrahlen. Diese k\u00f6nnen in sehr kurzer Zeit z.B. metallische Oberfl\u00e4chen aufrauen. Der Strahlzerfall wird durch das Anbringen von Resonanzkammern an der D\u00fcse erreicht. Der Wasserstrahl soll in sehr kurzer Zeit in gro\u00dfe Tropfen zerfallen, deren Aufschlag Erm\u00fcdungserscheinungen im Material der zu bearbeitenden Oberfl\u00e4che erzeugen. In einem ersten Projekt wurde ein Simulationsmodell erstellt, welches die Formgebung der D\u00fcse optimierte. In der 1. Phase des folgenden Projekts konnte die Erzeugung der Pulsation im Strahl, im Gegensatz zu vorherigen Ans\u00e4tzen, mithilfe von achsen-symmetrischen Resonanzkammern erzeugt werden. Daher geht das Projekt hinsichtlich der Erzeugung der Pulsation \u00fcber den Stand der Technik hinaus. Anhand der Simulationsergebnisse wurden erste Versuche mit Prototypen der D\u00fcsen durchgef\u00fchrt, die einen deutlich h\u00f6heren Abtrag leisteten.
\nKonventionelle Methoden verwenden zum Beispiel Blenden, um eine Pulsation im austretenden Strahl zu erzeugen.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Die Versuchsd\u00fcsen bestehen aus mehreren Teilen. Die Innenkontur der D\u00fcse wird aus einem 1,5 mm dicken Stahlblech erodiert, welches zwischen zwei verschraubten Metallplatten eingespannt wird. Anders als bei einem rotierenden Herstellungsprozess (bohren, drehen) kann die D\u00fcse Hinterschnitte in der Innenkontur besitzen. Dieses erm\u00f6glicht die Gestaltung der kreisf\u00f6rmigen Resonanzkammern.
\nF\u00fcr den Versuch wurde der Abtrag von vier D\u00fcsen bei gleichem Arbeitsdruck (500bar) verglichen. Die Resonanzebene der D\u00fcsen lag orthogonal zur Bewegungsrichtung. Alle D\u00fcsen hatten den gleichen D\u00fcsenquerschnitt, wobei eine keine Resonanzkammern besa\u00df. Die vier Abtragsbahnen der D\u00fcsen zeigen unterschiedliche Strukturen. \u00dcber einen Gesamtweg von 150 mm beginnt der Materialabtrag der D\u00fcse ohne Resonanzkammern bei ca. 140 mm. Die Tiefe des Abtrags ist so gering, dass er nicht messbar ist. Im Gegensatz dazu beginnt der Abtrag von zwei der D\u00fcsen mit Resonanzkammern wesentlich fr\u00fcher.
\nHier ist der Abtrag nicht nur an der Oberfl\u00e4che sichtbar, sondern die Tiefe ist auch messbar.
\nDie Versuchsreihe zeigt, dass \u00fcber die \u00c4nderung der D\u00fcsengeometrie erhebliche \u00c4nderungen in der Abtragsleistung erreicht werden k\u00f6nnen. Eine Gegen\u00fcberstellung der jeweils aufgewendeten hydraulischen Leistung zu der damit verbundenen kinetischen Energie zeigt das Einsparpotential.
\nDas effizientere D\u00fcsen-Prototyp wurde in einem weiteren Versuch im Freien aufgebaut. Ziel dieses Versuchs war die optische Auswertung des Strahlzerfalls mittels einer Hochgeschwindigkeitskamera aufzunehmen und anschlie\u00dfend auszuwerten. Die Auswertung der Filme mit Aufl\u00f6sungen (Bilderrate) bis zu 12500 pro Sekunde haben keine brauchbare Ergebnisse geliefert, da die Vorg\u00e4nge in der Str\u00f6mung der D\u00fcse unter Betriebsbedingungen mit dieser Methode nicht verwertbar waren. Durch eine Umskalierung wurde ein gr\u00f6\u00dferes Modell erstellt. Dadurch verlangsamen die physikalische Prozesse innerhalb der D\u00fcse. Die Auswertung der Aufnahmen des vergr\u00f6\u00dferten Modells zeigt eine gute \u00dcbereinstimmung der Pulsationsfrequenz im Wasserstrahl des Versuchsmodells und im Simulationsmodell. Anhand dieser Ergebnisse konnten die Randbedingungen f\u00fcr die Str\u00f6mungssimulation f\u00fcr das parametrisierte Modell unver\u00e4ndert \u00fcbernommen werden. Das parametrisierte Modell dient als Basis f\u00fcr den folgenden Optimierungsprozess.
\nIn der Optimierungssoftware-Umgebung wurden Geometrieerzeugung, Str\u00f6mungssimulation, Auslesen der Simulationsergebnisse sowie die Auswertung der Ergebnisse zu einem Prozess vereint. Dadurch konnte das vorgegebene Ziel (Maximierung der Pulsations-Druckamplitude), durch Simulationen in einer vorgegebenen Anzahl von Modellvarianten erreicht werden. Durch mehrere Simulationsl\u00e4ufe konnten die Geometrie-Parameter und Massenstr\u00f6me f\u00fcr unterschiedliche Betriebspunkte in einem Diagramm zusammengefasst werden. Dieses bildet die Basis f\u00fcr die Auslegung von D\u00fcsenkammern f\u00fcr bestimmte Anwendungen und Druckbereiche.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Messeauftritt: parts2clean – Internationale Leitmesse f\u00fcr Reinigung in Produktion und Instandhaltung, Messe Stuttgart, 28. – 30.10.2008
\nPatentierung der Zwei-Kammer-D\u00fcse mit modularem Aufbau<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Im Sinne der Nachhaltigkeit kann diese Technologie mit einer gro\u00dfen Anwendungsbreite im Bereich der gesamten Oberfl\u00e4chenbearbeitung von Metallen eingesetzt werden und f\u00fchrt zu einer Verringerung des Wasserverbrauchs und zu einer Vermeidung von Abwasser und Schlamm. Durch die einfache Handhabung der Reststoffe kann diese Technologie den gesamten Aufbereitungsaufwand der Reststoffe reduzieren. Anhand der gewonnenen Erkenntnisse w\u00e4re es m\u00f6glich, Anwendungsgebiete, die bisher nur mit umweltbelastenden Verfahren bearbeitet werden k\u00f6nnen, neu zu erschlie\u00dfen, z. B. die Entlackung von Oberfl\u00e4chen. Daraus ergibt sich ein insgesamt hoher volkswirtschaftlicher Nutzen des Verfahrens.
\nZiel des weiterf\u00fchrenden Projektes ist au\u00dferdem, eine vermarktbare Produktpalette von D\u00fcsen und Bearbeitungsmaschinen zu entwickeln, die durch konkurrenzf\u00e4hige Bearbeitungszeiten eine breite Anwendung dieses umweltfreundlichen Bearbeitungsverfahrens erm\u00f6glichen.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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